¿Cómo disipar el calor de la PCB?

¿Cuáles son los métodos para la disipación de calor de la PCB?

Para los dispositivos electrónicos, se generará una cierta cantidad de calor cuando estén funcionando, lo que hará que la temperatura interna del dispositivo aumente rápidamente. Si el calor no se disipa a tiempo, el dispositivo seguirá calentándose, el dispositivo fallará debido al sobrecalentamiento y la confiabilidad del equipo electrónico disminuirá.

Por lo tanto, es muy importante realizar un buen tratamiento de disipación de calor en la placa del circuito. La disipación de calor de la placa de circuito impreso es un eslabón muy importante.

Entonces, ¿cuáles son las técnicas de disipación de calor de la placa de circuito impreso? Analicémoslo juntos a continuación.

Disipación de calor a través de la propia placa de PCB. Los materiales de placa de PCB ampliamente utilizados son substratos de tela de vidrio recubiertos de cobre/epoxi[^1] o substratos de tela de vidrio de resina fenólica, y también hay una pequeña cantidad de placas de cobre recubiertas de papel.

Aunque estos substratos tienen excelentes propiedades eléctricas y de procesamiento, tienen una mala disipación de calor. Como camino de disipación de calor para componentes de alto calor, es casi imposible esperar que el propio resina de la PCB conduzca el calor, sino que disipa el calor desde la superficie del componente hasta el aire circundante.

Sin embargo, a medida que los productos electrónicos han entrado en la era de la miniaturización, la instalación de alta densidad y la ensambladura de alta temperatura, no es suficiente confiar solo en la superficie de los componentes con áreas de superficie muy pequeñas para disipar el calor.

Al mismo tiempo, debido al uso a gran escala de componentes montados en superficie como QFP y BGA, el calor generado por los componentes se transfiere a la placa de PCB en grandes cantidades. Por lo tanto, la mejor manera de resolver el problema de disipación de calor es mejorar la capacidad de disipación de calor de la propia PCB que está en contacto directo con el componente que genera calor, y conducir o disipar el calor a través de la placa de PCB.

Agregar papel de cobre de disipación de calor[^3] y utilizar papel de cobre de tierra de poder de gran área

Vías térmicas

El cobre está expuesto en la parte posterior del IC para reducir la resistencia térmica[^4] entre el cobre y el aire

¿Cuáles son las técnicas para la disipación de calor del diseño?

1. Los dispositivos sensibles al calor se colocan en la zona de aire frío.

2. Los dispositivos de detección de temperatura se colocan en la posición más calurosa.

3. Los dispositivos en la misma placa de circuito impreso deben estar dispuestos según su generación de calor y disipación de calor tanto como sea posible. Los dispositivos con baja generación de calor o mala resistencia al calor (como transistores de señal de baja potencia, circuitos integrados de pequeña escala, condensadores electrolíticos, etc.) se colocan en la parte superior (entrada) del flujo de aire de enfriamiento, y los dispositivos con alta generación de calor o buena resistencia al calor (como transistores de potencia, circuitos integrados de gran escala, etc.) se colocan en la parte inferior del flujo de aire de enfriamiento.

4. En la dirección horizontal, los dispositivos de alta potencia deben estar dispuestos lo más cerca posible del borde de la placa de circuito impreso para acortar el camino de transferencia de calor; en la dirección vertical, los dispositivos de alta potencia deben estar dispuestos lo más cerca posible de la parte superior de la placa de circuito impreso para reducir el impacto de estos dispositivos en la temperatura de otros dispositivos cuando están funcionando.

5. La disipación de calor de la placa de circuito impreso en el equipo depende principalmente del flujo de aire, por lo que al diseñar, se debe estudiar el camino del flujo de aire y configurar razonablemente los dispositivos o placas de circuito impreso. Cuando fluye el aire, siempre tiende a fluir hacia lugares con baja resistencia, por lo que al configurar dispositivos en la placa de circuito impreso, evite dejar un gran espacio de aire en un área determinada. El mismo problema también debe tenerse en cuenta al configurar múltiples placas de circuito impreso en toda la máquina.

6. Los dispositivos que son sensibles a la temperatura son los mejores cuando se colocan en el área con la temperatura más baja (como la parte inferior del dispositivo). Nunca los coloque directamente sobre el dispositivo de calentamiento. Múltiples dispositivos están mejor dispuestos en una disposición escalonada en el plano horizontal.

7. Coloque los dispositivos con el mayor consumo de potencia y la mayor generación de calor cerca de la mejor posición de disipación de calor. No coloque dispositivos con mayor generación de calor en las esquinas y bordes de la placa de circuito impreso a menos que haya un dispositivo de disipación de calor cerca. Al diseñar resistores de potencia, elija dispositivos más grandes siempre que sea posible y asegúrese de que haya suficiente espacio de disipación de calor al ajustar el diseño de la placa de circuito impreso.

8. Recomendaciones de espaciado de componentes:

Consejos para prevenir componentes de alto calentamiento

Cuando hay unos pocos dispositivos en la PCB que generan mucho calor (menos de 3), puede agregar un disipador de calor o tubo de calor al dispositivo que genera calor. Cuando la temperatura no se puede reducir, puede usar un disipador de calor con ventilador para mejorar el efecto de disipación de calor.

Cuando hay una gran cantidad de dispositivos que generan calor (más de 3), puede usar una cubierta de disipación de calor grande (placa), que es un disipador de calor especial personalizado según la posición y altura del dispositivo que genera calor en la PCB, o un disipador de calor plano grande con diferentes alturas de componentes cortadas.

La cubierta de disipación de calor se engancha en la superficie del componente como un todo y entra en contacto con cada componente para disipar el calor. Sin embargo, debido a la mala consistencia de altura de los componentes durante la soldadura, el efecto de disipación de calor no es bueno. Por lo general, se agrega una almohadilla térmica de cambio de fase blanda en la superficie del componente para mejorar el efecto de disipación de calor.

¿Cómo disipar eficientemente el calor de las placas de PCB?

1. Para el equipo que utiliza enfriamiento por convección libre, es mejor organizar los circuitos integrados (u otros dispositivos) de manera longitudinal o transversal.

2. Utilice un diseño de routaje razonable para lograr la disipación de calor. Dado que la resina en la placa tiene una mala conductividad térmica, y las líneas y agujeros de cobre son buenos conductores de calor, aumentar la tasa de exceso de cobre y aumentar los agujeros conductores de calor son los principales medios de disipación de calor.
   Para evaluar la capacidad de disipación de calor de la PCB, es necesario calcular la conductividad térmica equivalente (9eq) del substrato aislante para la PCB, un material compuesto por varios materiales con diferentes conductividades térmicas.

3. Los dispositivos en la misma placa de circuito impreso deben estar dispuestos según su generación de calor y grado de disipación de calor tanto como sea posible. Los dispositivos con baja generación de calor o mala resistencia al calor (como transistores de señal de baja potencia, circuitos integrados de pequeña escala, condensadores electrolíticos, etc.) se colocan en la parte superior (entrada) del flujo de aire de enfriamiento, y los dispositivos con alta generación de calor o buena resistencia al calor (como transistores de potencia, circuitos integrados de gran escala, etc.) se colocan en la parte inferior del flujo de aire de enfriamiento.

4. En la dirección horizontal, los dispositivos de alta potencia deben estar dispuestos lo más cerca posible del borde de la placa de circuito impreso para acortar el camino de transferencia de calor; en la dirección vertical, los dispositivos de alta potencia deben estar dispuestos lo más cerca posible de la parte superior de la placa de circuito impreso para reducir el impacto de estos dispositivos en la temperatura de otros dispositivos cuando están funcionando.

5. La disipación de calor de la placa de circuito impreso en el equipo depende principalmente del flujo de aire, por lo que al diseñar, se debe estudiar el camino del flujo de aire y configurar razonablemente los dispositivos o placas de circuito impreso.
   Cuando fluye el aire, siempre tiende a fluir hacia lugares con baja resistencia, por lo que al configurar dispositivos en la placa de circuito impreso, evite dejar un gran espacio de aire en un área determinada. El mismo problema también debe tenerse en cuenta al configurar múltiples placas de circuito impreso en toda la máquina.

6. Los dispositivos que son sensibles a la temperatura son los mejores cuando se colocan en el área con la temperatura más baja (como la parte inferior del equipo), y nunca los coloque directamente sobre el dispositivo de calentamiento. Múltiples dispositivos están mejor dispuestos en una disposición escalonada en el plano horizontal.

7. Organice los dispositivos con el mayor consumo de potencia y la mayor generación de calor cerca de la mejor posición de disipación de calor. No coloque dispositivos con mayor generación de calor en las esquinas y bordes de la placa de circuito impreso a menos que haya un dispositivo de disipación de calor cerca.
   Al diseñar resistores de potencia, elija dispositivos más grandes siempre que sea posible y ajuste el diseño de la placa de circuito impreso para permitir un espacio de disipación de calor suficiente.

8. Evite la concentración de puntos calientes en la PCB, distribuya la potencia de manera uniforme en la PCB tanto como sea posible, y mantenga el rendimiento de la temperatura de la superficie de la PCB uniforme y consistente.
   A menudo es difícil lograr una distribución estrictamente uniforme durante el proceso de diseño, pero es importante evitar áreas con una densidad de potencia demasiado alta para evitar que el sobrecalentamiento afecte el funcionamiento normal de todo el circuito.

Conclusión

Los métodos efectivos de disipación de calor de la PCB incluyen vías térmicas, cobertura de cobre, diseño de componentes estratégico para la optimización del flujo de aire[^6], disipadores de calor, almohadillas de cobre expuestas, materiales de cambio de fase, espaciado adecuado y distribución de componentes de alta potencia cerca de los bordes para prevenir puntos calientes y mejorar la gestión térmica.

[^1]: Comprender los métodos efectivos de disipación de calor es crucial para mantener la confiabilidad y el rendimiento del dispositivo. Explore este enlace para obtener técnicas en profundidad.
[^2]: Aprenda sobre las propiedades y beneficios de los substratos recubiertos de cobre en el diseño de PCB para optimizar la gestión de calor en los dispositivos electrónicos.
[^3]: Comprender el papel de cobre de disipación de calor puede mejorar su diseño de PCB para una mejor gestión térmica y rendimiento.
[^4]: Explorar la resistencia térmica lo ayudará a comprender su impacto en la eficiencia y la longevidad de los componentes en los diseños electrónicos.
[^5]: Aprender sobre el diseño del camino del flujo de aire puede mejorar significativamente la eficiencia de enfriamiento de sus dispositivos electrónicos, asegurando un rendimiento óptimo.
[^6]: Descubra cómo optimizar el diseño de componentes puede mejorar el flujo de aire y el rendimiento térmico en las placas de circuito impreso.